專利名稱：原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統的制作方法
技術領域：
本發明提出一種原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，主要用于對原位成形光學微透鏡的制造進行實時監測，以保證原位成形光學微透鏡的非球曲面的曲率和尺寸精度達到技術要求，屬于生物學和分析化學及醫學檢測領域。
背景技術：
微生物芯片近年來在生命科學領域中是已迅速發展起來的一項高新技術，其實質是:在微型化基礎上將全部生化分析過程和整個化驗室功能(如:采樣，稀釋，加試劑，反應，分離和檢測等)集成(嵌入)在郵票或者信用卡大小的芯片里，因而被通俗地稱為“芯片實驗室”。其科學性和先進性集中體現在結構縮微和功能集成這兩個方面。其中的信號檢測是生物芯片技術的重要組成部分，主要包括信號產生、信號收集與傳輸、信號處理及識別三部分。在各種生物芯片信號檢測方法中，熒光微光譜檢測法具有選擇性好、能作微量的定性定量分析、具有非破壞性等優點，已成為生物芯片領域中應用最廣泛、靈敏度最高的檢測技術之一。目前光譜微檢測系統中多使用光電倍增管(PMT)或電荷耦合元件(CCD)進行光電轉換，這些元件及其配套的光路系統體積大，不可能嵌入生物芯片中，大大地阻礙了生物芯片集成化的提高，成為生物芯片發展的瓶頸。因此，研制體積小到可嵌入芯片和靈敏度高能達到生物技術要求的光譜微檢測系統勢在必行。目前國內外的相關研究尚處在初級探索階段。在生物芯片的熒光光譜檢測時，熒光信號微弱的原因是被測物量少、發光小，而并非單位體積的熒光信號強度降低。使用特定曲面形狀的光學微透鏡可增大系統的光子采集總量，并且使微透鏡與檢測工作端面高精度地同光軸粘合可增大系統的光強聚焦效率。因此，獲得特定光學微透鏡和實現高精度同光軸粘合是體積特征尺寸在毫米和亞毫米量級時提高微體積光譜微檢測靈敏度的有效手段。目前光學微透鏡有多種生產工藝技術，主要方法有:光學樹脂液滴噴印法、熱塑膜制法、多層光刻蝕成型法。上述幾種工藝方法的共有特點是，先單獨在另外的基材上制作光學微透鏡，然后再將它移至光激發單元或光檢測單元的濾光片上，用光學膠粘合。這些制作光學微透鏡的方法都面臨兩個共同的技術難題:一是當將制作好的光學微透鏡剝離制作基材時，難以保證透鏡底部水平面的平整度以及與光軸之間的垂直度。二是當微透鏡與光激發單元或光檢測單元的濾光片粘合時，難以保證光學微透鏡的光軸與光激發單元中的激發光源或光檢測單元中的光電轉換器件的中心對稱軸精確對準。本發明的原位成形法光學微透鏡可以克服了上述兩大難題，實現高精度同光軸粘合。具體工藝過程是，將摻入一定比例石英納米粒子的紫外固化光學膠從一定高度釋放滴在芯片原定位置上，當膠滴在工作面自上而下并向四周擴散流淌時，為了保持勢能最低，其表面的曲線形狀隨液體表面張力而變化，但始終保持中心對稱和表面積最小，適時地紫外激光照射，將其固化成吻合設計形狀的光學微透鏡。該方法有助于基因熒光微檢測系統實現微體積和高靈敏度，即體積微小到可以直接嵌入到生物芯片內，靈敏度高到能滿足微生物信號檢測的技術要求。
雖然原位成形法制作微透鏡雖然能夠使得光學微透鏡與微檢測工作端面高精度地同光軸粘合。但是在制作微透鏡過程中面臨著另一個技術難題:微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度影響透鏡的聚焦效果，這是影響生物芯片中微光譜檢測靈敏度的關鍵之一。當加工制作原位成形微透鏡時，由于某些因素(如非均勻固化或內部與表面收縮張力差異以及在控制接觸角時基底界面特性差異等)，造成激光固化的原位微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度不能達到設計技術要求，使得原位成形微透鏡對對光的聚焦效率降低，檢測靈敏度同樣也將降低，這將使得微光譜檢測系統靈敏度無法滿足對微弱生物信號檢測的技術要求。由于微透鏡尺寸在毫米數量級，同時具有透明的性質，以及表面光滑容易反光的特點，其輪廓圖像的捕捉是一個難題。因此，一種高速、高分辨率的透明微型流動液體動態輪廓捕捉技術對原位成形光學微透鏡制造十分重要。
發明內容
本發明的目的即在于提供一種能夠360°捕捉微型流動透明液體的監測裝置，可用于原位成形光學微透鏡制造時的對形成微透鏡的光學膠的動態形狀進行監測。為了實現上述目的，本發明根據對透明物體拍攝時不同的采光方法，采取了三種技術方案設計原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統:1、根據背光照明法:讓光線透過透射性柔光板，作為照亮紫外固化光學膠的唯一光源。原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統包括包括光源、柔光板、攝像頭，所述光源、柔光板、攝像頭依次成一線設置在旋轉支架上，并且攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板；所述支架由步進電機帶動旋轉，并且支架每旋轉9°攝像頭拍攝一次。在這種光線條件下，光學膠反光不會過于強烈，光學膠深暗的輪廓線條可以較好的表現出來。2、根據直接側光照明法:將黑色背景紙作為紫外固化光學膠的攝像背景，原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統包括光源、擋光板、攝像頭，所述光源、擋光板、攝像頭依次成一線設置在旋轉支架上，并且所述擋光板的寬度與被攝工件的拍攝寬度一致，所述攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板；所述支架由步進電機帶動旋轉，并且支架每旋轉9°攝像頭拍攝一次。上述設置光線射向紫外固化光學膠的途中被黑色背景紙背面遮擋，部分光線由背景紙側面射入微透鏡容納區內，提供柔和的光線照明。3、根據反射側光照明法:將黑色背景紙作為紫外固化光學膠的攝像背景，原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統包括反光板、光源、擋光板、攝像頭，所述反光板、光源、擋光板、攝像頭依次成一線設置在旋轉支架上，并且所述光源投向所述反光板，所述擋光板的寬度與被攝工件的拍攝寬度一致，所述攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板；所述支架由步進電機帶動旋轉，并且支架每旋轉9°攝像頭拍攝一次。上述設置光線并不直接射向紫外固化光學膠一側，而是射向另一側，經由軟反光板反射后，部分光線被黑色背景紙遮擋，部分光線由背景紙側面射入微透鏡容納區內，提供柔和的光線照明。上述步進電機可以以步距角θ=0.9。旋轉,轉速為lOOOpps 3000pps。該步進電機可帶動旋轉支架圍繞被拍攝物360°旋轉。上述CXD攝像頭模塊的圖像解析度為800萬像素，即水平像素數X垂直像素數=3264*2448，適用于微小透鏡的攝像和放大處理。攝像頭具有自動白平衡調整，能夠在不同的色溫環境下自動調節三基色的比例來達到色彩的平衡。被攝的紫外固化光學膠通過鏡頭生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片中進行圖像數據處理，提供給質量控制系統進行質量控制。以上方案中的偏振片便可以消除微透鏡表面的強反光，從而消除或減輕光斑；遮光板用于消除光學膠反射的攝像頭影像。本發明的有益效果:1、填補了原位成形光學微透鏡制造技術中對微透鏡形狀精確監測的空白；2、能夠提供高分辨率的微透鏡影像給后期質量控制系統進行質量控制處理，使得質量控制系統形成一個完整的閉環控制系統；3、本發明采用的透明微型流動液體動態輪廓捕捉設備的分辨率達到微米數量級，滿足微光譜檢測系統嵌入生物芯片中的應用要求。
圖1為采用背光照明法或直接側光照明法的透明微型流動液體動態輪廓捕捉系統的結構示意圖；圖2為采用背光照明法的透明微型流動液體動態輪廓捕捉系統原理示意圖；圖3為采用直接側光照明法的透明微型流動液體動態輪廓捕捉系統原理示意圖；圖4為采用反射側光照明法的透明微型流動液體動態輪廓捕捉系統的結構示意圖；圖5為采用反射側光照明法的透明微型流動液體動態輪廓捕捉系統的原理示意圖。圖中:1、光源，2、光具架，3、微檢測工作端面，4、紫外固化光學膠(微透鏡)，5、攝像頭，6、偏振片,7、黑色遮光板,8、柔光板,9、擋光板,10、反光板,11、步進電機。
具體實施例方式下面結合附圖1-5對本發明做進一步詳細說明。本發明用于原位成形光學微透鏡的制造，其中微透鏡由液態的光學膠固化而成。具體為將摻入一定比例石英納米粒子的液態紫外固化光學膠4從一定高度釋放滴在微檢測工作端面3，然后對液滴進行塑形，符合微透鏡曲面要求后進行固化。本發明的透明微型流動液體輪廓捕捉系統即用于監測對液滴的塑形過程。本發明的透明微型流動液體輪廓捕捉系統采用一根吊裝的可轉動的光具架，系統中各器件設置在光具架下面，光具架在步進電機11的帶動下圍繞微檢測工作端面3上的紫外固化光學膠4旋轉。根據不同的采光法，本系統可采用三種方式:1、采用背光照明法，如圖1、2讓光線透過透射性柔光板，作為照亮紫外固化光學膠的唯一光源。各器件包括光源1、柔光板8、攝像頭5，所述光源、柔光板、攝像頭依次設置在光具架2上，并且攝像頭5前設置偏振片6，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板7。2、采用直接側光照明法，如圖1、3將黑色背景紙作為紫外固化光學膠的攝像背景。光線射向紫外固化光學膠的途中被黑色背景紙背面遮擋，部分光線由背景紙側面射入微透鏡容納區內。各器件包括光源1、擋光板9、攝像頭5，所述光源、擋光板、攝像頭依次設置在光具架上，并且所述擋光板的寬度與被攝工件(紫外固化光學膠4)的拍攝寬度尺寸基本一致，擋光板的寬度稍大于被攝工件的寬度，所述攝像頭前設置偏振片6，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板7。3、采用反射側光照明法，如圖4、5將黑色背景紙作為紫外固化光學膠的攝像背景，光線經由軟反光板反射后，部分光線被黑色背景紙遮擋，部分光線由背景紙側面射入微透鏡容納區內。各器件包括光源1、擋光板9、攝像頭5、反光板10，所述反光板、光源、擋光板、攝像頭依次設置在光具架2上，并且所述光源投向所述反光板，所述擋光板的寬度與被攝工件(紫外固化光學膠4)的拍攝寬度尺寸基本一致，擋光板9的寬度稍大于被攝工件的寬度，所述攝像頭前設置偏振片6，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板7。在這三種光線條件下，光學膠反光不會過于強烈。光學膠深暗的輪廓線條可以較好的表現出來。其中，步進電機11以步距角θ=0.9。旋轉，轉速lOOOpps 3000pps。攝像頭5的快門速度在1/500秒以上，圖像解析度為800萬像素。步進電機11每旋轉9°，攝像頭拍攝一次，拍攝的圖像數據存儲到存儲器中，留待后續處理。
權利要求
1.原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，包括光源、擋光板、攝像頭，其特征在于:所述光源、擋光板、攝像頭依次成一線設置在旋轉支架上，并且所述擋光板的寬度與被攝工件的拍攝寬度一致，所述攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板；所述支架由步進電機帶動旋轉，并且支架每旋轉9°攝像頭拍攝一次。
2.原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，包括反光板、光源、擋光板、攝像頭，其特征在于:所述反光板、光源、擋光板、攝像頭依次成一線設置在旋轉支架上，并且所述光源投向所述反光板，所述擋光板的寬度與被攝工件的拍攝寬度一致，所述攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板；所述支架由步進電機帶動旋轉，并且支架每旋轉9°攝像頭拍攝一次。
3.如權利要求1或2所述的原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，其特征在于:所述步進電機以步距角Θ =0.9°旋轉，轉速為lOOOpps 3000pps。
4.如權利要求1或2所述的原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，其特征在于:所述攝像頭為CCD攝像頭，其圖像解析度為800萬像素。
全文摘要
原位液體成形光學微透鏡制造中透鏡動態輪廓捕捉系統，用于對原位成形光學微透鏡的制造進行實時監測，以保證實時控制原位成形光學微透鏡的非球工作曲面曲率和尺寸精度，提高被測物所激發熒光的聚焦效率和提高生物芯片中微光譜檢測靈敏度，屬于生物學和分析化學及醫學檢測領域。系統包括光源和攝像頭，并根據拍攝透明物體的采光理論設計了三種采光方式，包括背光法、直接側光法、反射側光法，分別采用柔光板、擋光板、擋光板和反光板及其光源。以上各器件吊裝在旋轉支架上，由步進電機帶動圍繞被測的透明液滴旋轉拍攝，進而得到360°的方位圖像。并且攝像頭前設置偏振片，攝像頭鏡頭的四周設置黑色遮光板，有效避免透明液滴產生的雜散光。
文檔編號G01B11/24GK103115584SQ20131004747
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者吳堅, 何華陽, 陳濤 申請人:北京工業大學